redes de comunicaciones por satélite acceso múltiple · satélite es permitir que un gran número...

CSAT 1

Comunicaciones por SatComunicaciones por SatééliteliteCurso 2008Curso 2008--0909

Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo

Redes de comunicaciones por satRedes de comunicaciones por satéélitelite

Acceso MAcceso Múúltipleltiple

Miguel Calvo RamónRamón Martínez Rodríguez-Osorio

CSAT 2Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo

ObjetivosObjetivos

• Aplicar los principales esquemas de acceso a las comunicaciones por satélite

• Seleccionar el mejor esquema en función de la constelación y el servicio

• Comprender los parámetros de caracterización del tráfico

• Conocer el funcionamiento de una red de satélites multihaz


ÍÍndicendice

• Principios de acceso múltiple• Esquemas de acceso múltiple

– De asignación fija (FDMA, TDMA, CDMA, SDMA)

– De acceso aleatorio (Aloha)

– Asignación bajo demanda (DAMA)

• Medidas de tráfico• Redes de satélite multihaz

– Principios de operación

– Enlaces entre satélites

– Satélites regenerativos


Acceso MAcceso Múúltipleltiple• Los avances en la tecnología mantienen el interés por los

sistemas de comunicaciones por satélite usando estaciones terrenas pequeñas, tanto fijas en sistemas VSAT como móviles en sistemas MSAT.

• Los sistemas MSAT y VSAT se planifican para proporcionar no solo servicios de datos de baja velocidad, tipo telex o mensajería, sino también de voz y de datos de alta velocidad.

• En los sistemas MSAT y VSAT es especialmente importante el uso eficiente de los recursos limitados de potencia y ancho de banda que deben ser compartidos por un gran número de usuarios no coordinados que acceden al sistema de forma corta e impulsiva (a ráfagas).

• El Acceso Múltiple es una variante del Multiplexado y describe el procedimiento a usar para compartir los recursos de comunicaciones entre un gran número de usuarios.

• Deben por tanto considerarse los diversos Protocolos de Acceso Múltiple disponibles, así como los métodos utilizados para el análisis comparativo de sus prestaciones.


MultiplexaciMultiplexacióón y Acceso Mn y Acceso Múúltipleltiple

Usuario Usuario Usuario Usuario Usuario Usuario


CaracterCaracteríísticas de los Serviciossticas de los Servicios• La tarea fundamental de una Red de Comunicaciones por

Satélite es permitir que un gran número de estaciones terrenas puedan interconectar simultáneamente sus servicios de voz, datos, fax y vídeo por medio del satélite.

• Para el diseño del sistema es preciso establecer los servicios que deben cursarse por la red y la naturaleza de los circuitos necesarios para transportar dichos servicios.

• Los sistemas típicos VSAT y MSAT suelen proporcionar los siguientes tipos de servicios:– Servicio continuo de Voz– Servicio continuo de Datos– Servicio de Paquetes de Datos

• Los servicios continuos se basan en la conexión mediante circuitos conmutados que se establecen para uso dedicado durante cada llamada.

• Los datos pueden enviarse con un cierto retardo pero deben recibirse esencialmente libres de errores.

• El tráfico de voz y vídeo es más tolerante a errores pero más estricto en cuanto a requisitos de retardo.


Esquemas de Acceso MEsquemas de Acceso Múúltipleltiple• El protocolo de Acceso Múltiple que se use afecta a todos los

elementos del sistema, determina su capacidad y flexibilidad y tiene una gran incidencia en los costes.

• Suelen dividirse en tres tipos básicos:– De Asignación Fija– De Acceso Aleatorio– Técnicas de Acceso Controlado (Asignación Bajo Demanda DAMA)

• Los esquemas de Asignación Fija (FDMA, TDMA, CDMA y SDMA) asignan permanentemente una fracción de los recursos del sistema a cada usuario, y se adaptan mejor a situaciones en las que el tráfico es intenso y continuo.

• Los esquemas de acceso aleatorio (Aloha) se adaptan mejor cuando hay un gran número de fuentes de tráfico corto a ráfagas.

• Las técnicas de acceso controlado son más adecuadas cuando la información generada por un usuario tiende a ser de larga duración (llamadas de voz o transferencias de ficheros largos). Parte de los recursos se asignan para canales de petición (con acceso aleatorio) y de asignación. El resto se utiliza para la realización de las comunicaciones.


Acceso MAcceso Múúltipleltiple

Frecuencia

Tiempo

canal 1canal 2

canal nB

b

ACCESO MULTIPLE DIVISION EN FRECUENCIA

Frecuencia

Tiempo

1 2 3 N 1 2 3 N

TfTr

B

ACCESO MULTIPLE DIVISION EN EL TIEMPO

Frecuencia

Tiempo

Todos loscanales

ACCESO MULTIPLE DIVISION DE CODIGO


- A cada portadora se le asigna una banda de frecuencias. Deben dejarse bandas de guarda D entre portadoras para facilitar el filtrado y controlar la ACI(reduce la eficiencia cuando se aumenta el número de portadoras).- Puede haber una portadora por estación o varias portadoras por estación.- Problemas de generación de productos de intermodulación (obliga a aumentar el BOo al aumentar el número de portadoras y reduce la eficiencia).- Control del nivel de acceso de cada portadora (efecto captura)

FDMAFDMA


Sistemas AnalSistemas Analóógicos SCPCgicos SCPC--FMFM

• Evitan el multiplexado de los canales reduciendo el costo de las ETs (cada canal telefónico modula a su portadora)

• Más simple de reconfigurar que FDM-FM (útil para sistemas de asignación bajo demanda DA)

• Sólo se transmite portadora cuando el enlace estáactivo. Ahorra potencia de transpondedor respecto a FDM-FM en que siempre se transmite portadora

• SCPC-FM requiere más ancho de banda que FDM-FM para el mismo número de canales. Está en desventaja cuando se requieren muchos canales.


FDMAFDMA

• Si todos los N nodos de la red generan el mismo tráfico y el ancho de banda disponible es B se asignarían B/N Hz a cada nodo.

• En caso contrario, se asigna un ancho de banda proporcional al tráfico de cada nodo.– Mayor eficiencia y complejidad

• Las portadoras pueden ser analógicas (FM) o digitales (BPSK o QPSK).

• Cuando cada terminal debe proporcionar un número de circuitos telefónicos reducido son adecuados los sistemas SCPC. El más conocido es el sistema SPADE (Single Channel per Carrier Pulse CodeModulation Multiple Access Demand AssignedEquipment) de INTELSAT.


Soluciones FDMASoluciones FDMA• Cada portadora puede llevar un solo canal (SCPC) o muchos

(MCPC).• En SCPC la portadora puede direccionarse a una estación terrena

receptora SD (telefonía) o a varias MD (difusión).• En MCPC la multiplexación de los canales puede ser FDM o TDM.

Los canales bien van dirigidos a una sola estación de destino SD o a varias MD.

• La elección entre SCPC y MCPC tiene en cuenta:– Número de moduladores y demoduladores requeridos en las estaciones.– Ineficiencia producida por la cuantificación propia de la multiplexación.– Flexibilidad limitada del MCPC respecto a cambios en el plan de conectividad

entre estaciones.• La filosofía del SCPC intenta superar las desventajas del MCPC:

– Fácil implementación y expansión de la capacidad de la estación añadiendo canales a medida que sea necesario.

– Coste reducido del equipo común (multiplexación) pero encarecimiento por equipo no común (módems y codecs).

– Reducido consumo de potencia y ancho de banda del transpondedor.– Fácil introducción de equipo DAMA.


FDM/FM/FDMAFDM/FM/FDMA

fA fB fC fD fE

CentralTelefónica

CTMUX FM

mod

A

E DC

B

CentralTelefónica

CTDEMUXFM

dem

(PSTN)


Cuando el número de portadoras aumenta, el ancho de banda asignado a cada portadora debe disminuir, lo que conlleva una reducción de la capacidad de las mismas.

Como la capacidad total es la suma de las capacidades de las portadoras parecería que la capacidad debería mantenerse sensiblemente constante. Pero para reducir la IM hay que aumentar el backoff y esto reduce sensiblemente la capacidad.

ThroughputThroughput del FDMAdel FDMA

0

20

40

60

80

100

120

1 2 3 8 14

Thro

ughp

ut%

Nº Accesos


TDMATDMA• Cada estación transmite una portadora durante una fracción de

tiempo (ráfaga) del transpondedor que se repite cíclicamente en una trama.

• Al igual que las bandas de guarda del FDMA, el TDMA requiere tiempos de guarda para separar las transmisiones entre usuarios en la trama. Se requieren también preámbulos para permitir recuperación de las portadoras y sincronización de reloj. Como las ráfagas provienen de estaciones diversas, con osciladores no coherentes, los circuitos de recuperación de portadora y sincronismo deben ser rápidos.

• Las portadoras de las estaciones ocupan todo el ancho de banda del transpondedor.

• El transpondedor sólo amplifica una portadora en cada instante de tiempo. No se genera intermodulación y se puede trabajar en saturación, obteniéndose una PIRE máxima.

• Si no hay sincronización, las ráfagas se solapan en el transpondedory la información se pierde.

• Los sistemas TDMA aleatorios sin sincronización, tipo ALOHA, tienen throughput bajo, pero son muy adecuados cuando el tráfico no es continuo sino que se produce a ráfagas.


Principio TDMAPrincipio TDMA

t

1

2

N

t

t

1

2

N

1 2 N

Frecuencia

Tiempo

B


GeneraciGeneracióón de Rn de Rááfagasfagas

AB

CTF

R

t

Preámbulo

A B C

Buffers dealmacenam.

Control de tiempos

Modulador PSK+

Generador depreámbuloHacia A R1

Hacia B R2

Hacia CR3

Capacidad = RbTF = R TB

D

TF

R TB


RecuperaciRecuperacióón de Mensajesn de Mensajes

TF DEMUX

Refde Ade Bde CRef

a D a D a D

DemoduladorPSK Buffers

Control detiempos

R1

R2

R3

Hacia los usuarios

D


Necesidad del SincronismoNecesidad del Sincronismo

Deriva del satélite:N-S +/- 0.05ºE-O +/- 0.05º

Excentricidad orbital:0.001

Deriva del satélite:N-S +/- 0.05ºE-O +/- 0.05º

Excentricidad orbital:0.001

0.1º

75 km

75 km

85 km

Órbita Geoestacionaria

Tierra

Dos efectos:•Retardo en la propagación•Efecto Doppler por el movimiento relativo del satélite


• El tiempo de propagación entre dos estaciones terrenas puede variar hasta 600 µs:

• El satélite puede cambiar su distancia a una estación 85 Km en 12 horas produciendo una velocidad radial media equivalente de:

con valores de hasta 20 Km/h.

• El cambio en la posición de una ráfaga debido al efecto Dopplerserá de:

2 853 10

6008

××

≈Km

ms

sµ

8512

7Kmh

Km h=

2 2 203 10 3600

375

× = ×× ×

=vc

Km hKm

ss

h

nss

r

SincronizaciSincronizacióón en TDMAn en TDMA


• Para una transmisión QPSK de 120 Mbps el tiempo de duración de símbolo es:

• Si el tiempo de guarda entre ráfagas es de 10 símbolos el desplazamiento Doppler absorberá ese tiempo en:

2120 10

176bits simbolo

bits segns

simbolo×=

seg.sns

simbolonssimbolos 25440

1710=

×

SincronizaciSincronizacióón TDMAn TDMA


JerarquJerarquíía de Sincronizacia de Sincronizacióónn

• A nivel de portadora:– Es necesario recuperar la frecuencia y la fase de la portadora para su

demodulación coherente.

• A nivel de bit:– Se necesita determinar el instante óptimo de decisión para detectar

los bits y recuperar el mensaje.

• A nivel de ráfaga:– Hay que detectar el comienzo de ráfaga mediante la palabra única

para el posicionamiento correcto de la ráfaga dentro de la trama.

• A nivel de trama:– Se usa la ráfaga de referencia para sincronizar el tráfico de las

estaciones.

• A nivel de supertrama:– Para permitir, p.e., el cambio de plan de tiempos en un sistema de

asignación bajo demanda.


Estructura de TramaEstructura de TramaTrama TDMA

RB1 RB2 TB1 TBN RB1

tiempo de guardaSOF SOF

CBR UW SC TTY VOW CDC DATOS

SOF = Comienzo de tramaRB = Ráfaga de referencia (indica el comienzo de trama SOF)TB = Ráfaga de tráfico compuesta de un preámbulo + campo de datos

CBR = Secuencia de bits para recuperación de reloj y portadoraUW = Palabra única (secuencia para sincronización de comienzo y resolución

de ambigüedad de fase.SC = Canal de servicio; TTY, VOW = canales de telefonía y telegrafía entre est.CDC = Canal de control y retardo para sincronización de la transmisión.


RecuperaciRecuperacióón de Portadora y Tiempo de n de Portadora y Tiempo de BitBit

• La secuencia CBR permite enganchar a la ráfaga de llegada la frecuencia y fase de la portadora y el tiempo de bit.

• El enganche debe haberse conseguido al finalizar el CBR y debe mantenerse durante el tiempo total de la ráfaga.

Demoduladorcoherente

Recuperaciónde portadora

Detección

Recuperacióntiempo de bit

Ráfaga Datos de

salida


DetecciDeteccióón de la Palabra n de la Palabra ÚÚnicanica

• La palabra única (UW) es una secuencia con alta autocorrelacióny baja correlación cruzada.

• La detección se realiza correlando la secuencia de llegada con una copia de la UW.

• Permite establecer:– El comienzo de trama (UW de la estación de referencia)– El comienzo de las ráfagas en la trama (UW estaciones de tráfico)– Permite la resolución de la ambigüedad de fase en la recuperación de

portadora.

a1 a2 a3 aN

u1 u2 u3 uN

Detectorde umbral

Datos

Pulso dedetección


Palabra Palabra ÚÚnicanica

El máximo número de errores permitidos en la detección de la palabra únicaes el umbral de detección ε.

• Una no detección de la palabra única de una ráfaga de tráfico causa que todos estos datos se pierden. En transmisión de voz esto produce impulsos o “clics”.En el caso de datos se incrementa considerablemente la tasa de bit erróneo.

• Una detección falsa de la palabra única de la ráfaga de referencia causa la transmisión fuera de sincronismo de la estación y pérdida de ráfagas.

Para una longitud dada de la palabra única, si se aumenta el umbral de detección se disminuye la probabilidad de no detección pero se aumenta la probabilidad de detección falsa.

Para una longitud dada de la palabra única, si se aumenta el umbral de detección se disminuye la probabilidad de no detección pero se aumenta la probabilidad de detección falsa.

Si N es la longitud de la palabra única y p es la probabilidad media de error enrecepción entonces la probabilidad de detección correcta PC será la suma de lasprobabilidades de 0, 1, 2, ..., ε errores en el bloque de N, es decir:

( )Pni

p pCi N i

i=

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟ −

−

=∑ 1

0

ε

y la de no detección: ( )P Pni

p pM Ci N i

i

N

= − =⎛⎝⎜

⎞⎠⎟ −

−

= +∑1 1

1ε


La probabilidad de detección falsa PF viene dada por la probabilidad de que una secuencia de datos aleatoria solo difiera en ε o menos bits de la UW.

Para una palabra única de N bits hay 2N combinaciones de datos que puedenproducirse aleatoriamente. Si el umbral fuese 0 entonces la probabilidadde falsa detección sería 1/2N. Para cualquier valor de umbral ε el número total de combinaciones en las que pueden aparecer ε o menos errores es: N

ii

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

=∑

0

ε

Por tanto la probabilidad de que N bits aleatorios se decodifiquen comopalabra única (o probabilidad de falsa detección) es:

PNiF N

i=

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

=∑1

2 0

ε

Ejemplo: para N=40, ε=5 y p=10-3 resultan PM=5x10-12 y PF=10-6 .Si la velocidad de transmisión es de 60 Mbps se producirá una no deteccióncada 3333 segundos y 60 detecciones falsa cada segundo.La solución es usar una ventana cada TF para evitar las detecciones falsas.

Palabra Palabra ÚÚnicanica


SincronizaciSincronizacióón TDMAn TDMAEspacio

TiempoEst. Referencia

SatéliteτN BN

BN

τN

B0RN /c

B0

tRN

RN

Estación Ntiempo local de trama

BN : Ráfaga transmitida por la estación N-ésima (N=0 para la de referencia)

tRN : comienzo del tiempo local de trama

RN : distancia de la estación N al satélite

τN : retardo entre el comienzo de trama y la ráfaga BN de la estación N

c : velocidad de la luz


SincronizaciSincronizacióón TDMAn TDMA

Espacio

Tiempo

Estación N

Satélite

RN

B0RN /c BN

B0 BN

τN

tRN

tiempo local de trama

B0

RN /c DN

mTFn n+m

El instante de comienzo local de trama tRN se determina introduciendo un retardo DN respecto a la recepción de la ráfaga de referencia Bo.

D mT RcN F

N= − 2m: número entero seleccionado de forma que DN sea positivo.TF: duración de trama.

Ejemplo (Telecom 1): m>14 T ms Rc

Kmc

msFN= =

×=20 2 2 42000 280,,


1) La estación N-ésima determina su tiempo local de trama sumando DN(j) al instante de recepción de la ráfaga de referencia.

2) Añade el retardo τN y transmite su ráfaga.

3) Observa la trama en recepción y la posición de su ráfaga respecto a la de referencia. Obtiene el error εN(j).

4) Actualiza el retardo: DN(j+1)=DN(j)-εN(j)

SincronizaciSincronizacióón en Lazo Cerradon en Lazo Cerrado


Espacio

Tiempo

Satélite

RN

Estación N

Rx

Tx

Bo

Bo

Bo

RN /c DN(j)

Bo

1

BN

τN

BN

2

Bo BN

τN εN(j) 3

DN(j+1)4

SincronizaciSincronizacióón en Lazo Cerradon en Lazo Cerrado


SincronizaciSincronizacióón en Sistemas n en Sistemas MultihazMultihaz

• Las estaciones transmisoras en un haz que transmiten hacia otros haces no reciben su propia ráfaga después que es retransmitida por el satélite.

• Por tanto, no puede realizarse la sincronización en lazo cerrado.

• Hay dos soluciones alternativas:– La sincronización con realimentación cooperativa.– La sincronización en lazo abierto.


• Cada haz del sistema tiene una estación de referencia

• Cada estación de referencia observa los errores de sincronismo de las estaciones de los demás haces.

• A continuación, informa a esas estaciones de las acciones correctoras necesarias.

SincronizaciSincronizacióón con Realimentacin con Realimentacióón Cooperativan Cooperativa


• Se establecen tres estaciones que miden el retardo de sus transmisiones al satélite y envían la información a la estación de referencia.

• Por triangulación se obtiene, en la estación de referencia, la posición del satélite y su distancia a cada una de las estaciones.

• La estación de referencia informa a las estaciones ordinarias de su distancia al satélite y del plan de tiempos de transmisión actualizado (canal CDC).

• Implica mayores tiempo de guarda que en lazo cerrado (tiempo de cálculo de la posición, tiempo de distribución de la información al resto de estaciones, etc.).

SincronizaciSincronizacióón en Lazo Abierton en Lazo Abierto


Eficiencia de TramaEficiencia de Trama

EFICIENCIA = tiempo de transmisión de datos / tiempo total

η = −

= −

∑∑

( ) /

/

T t T

t TF i F

i F1

donde Σti es la suma de los tiempos de guarda y de los preámbulos.

Para mejorar la eficiencia se puede:- Usar un tiempo de trama mayor pero :

- requiere mayor capacidad de almacenamiento.- aumenta el retraso en la transmisión.

- Usar menos tiempo de guarda entre ráfagas:- implica una sincronización más precisa de la red.

- Usar preámbulos más cortos:- implica menos tiempo para la recuperación de portadora y tiempode bit.

- usar palabras únicas mas cortas aumentando el riesgo de detec-ción falsa o de no-detección.


ThroughputThroughput en TDMAen TDMA

Σti se incrementa proporcionalmente con el número de ráfagas o lo que es lo mismo con el número de estaciones de la red. Por tanto, la eficiencia disminuye al aumentar el número de estaciones.

0 25 50 No. de estaciones

Throughput (%)

100

0

INTELSAT/EUTELSAT85.2 %

El throughput depende del número P de ráfagas en la trama. Si p es el número de bits de cabecera y g el número de bits del tiempo de guarda y R el régimen binario:

( )( )η = − + +1 2P p g R T FINTELSAT/EUTELSATP=Np=560g=128R=120.832 MbpsTF=2 ms

( )η = − ⋅ +−1 2 8 5 1 0 23. N


MFMF--TDMATDMA

• MF-TDMA (Multi Frequency-TDMA)– Un grupo de estaciones se comunican con un hub empleando

un conjunto de frecuencias divididas en slot temporales– Cada estación tiene acceso a todas las frecuencias– La capacidad se usa de forma eficiente (se evita la

fragmentación del espectro)

Simplified Transponder Usage by a Group of DVB-RCS User Terminals


• Todas las estaciones de la red pueden transmitir continua y simultáneamente ocupando el mismo ancho de banda.

• Se produce interferencia entre las transmisiones de las diferentes estaciones.

• El receptor resuelve la interferencia identificando la “firma” de cada transmisor.

• La “firma” es un secuencia binaria, llamada código, que se combina con la información a transmitir por cada transmisor. Debe distinguirse fácilmente de los demás códigos e incluso de una copia retardada de sí mismo. Los bits del código se denominan chips.

• Para transmitir el código y la información se requiere más ancho de banda. Por ello, hablamos de transmisión de espectro ensanchado.

• Las técnicas fundamentalmente usadas son las de secuencia directa DS yla de salto de frecuencia FH. Otras técnicas que se utilizan son las de salto de tiempo TH, uso de sistemas FM con pulsos o señales chirp, y técnicas híbridas: FH + DS, TH + FH y TH +DS.

• Los sistemas CDMA suelen funcionar de forma síncrona. La sincronización de la red se simplifica mucho, pero es difícil encontrar buenos códigos.

Principio CDMAPrincipio CDMA


Aplicaciones de CDMAAplicaciones de CDMA

• Comunicaciones militares, para evitar interferencias de banda estrecha y elevada potencia en la misma banda, o para dificultar la información a escuchas no deseadas (sistemas LPI)

• Comunicaciones civiles, al ensanchar en recepción, se cancela la interferencia procedente de otros satélites si el ancho de haz es alto (apertura de antena reducida)

• Evitar o aprovechar el multitrayecto, si el retardo es superior a la duración de chip


TransmisiTransmisióón DSn DS--CDMACDMA

X X X X

CanalCanal

Generadorde Código

Generadorde Código Generador

de CódigoGeneradorde Código

Sincronizadorde Código

Sincronizadorde Código

LPFLPF Integ.Integ.

cos(ωct) 2cos(ωct)

m(t)

Rb=1/Tb

m(t)= ±1 con Rb=1/Tb

p(t)

Rc=1/Tc

p(t)= ±1 con Rc=1/Tc

s(t)

s(t)=m(t)p(t) cos(ωct)

r(t)

r(t)= m(t)p(t) cos(ωct)(2 cos(ωct))= m(t)p(t) + m(t)p(t) cos(2ωct)

u(t)

u(t)=m(t)p(t)

p(t)

x(t)

x(t)=m(t)p(t) p(t)=m(t)p2(t)=m(t)

v(t)Correlador


Espectro OcupadoEspectro Ocupado

El espectro de la portadora modulada con m(t) sería:

( ) ( )( )( )′ =

−

−S f C

Rf f R

f f Rb

c b

c b

s e n π

π

y el de s(t): ( ) ( )( )( )S f C

Rf f R

f f Rc

c c

c c

=−

−

s e n π

π

Por tanto, se ha ensanchado en la relación Rc/Rb que se denomina ganancia de proceso.

15 10 5 0 5 10 150

0.5

11

0

S f 1,( )

S f 10,( )

1515− f


La estación receptora recibe la señal deseada s(t) superpuesta a las señales si(t) de los N-1 restantes usuarios. Por tanto:

La señal a la salida del multiplicador de código es:

Con lo que se vuelve a ensanchar el espectro de las señales interferentes, queya había sido ensanchado en transmisión. Estas señales actúan por tanto comoruido con una densidad espectral de potencia muy baja.

Si J(t)·cos(ωct) es una señal interferente, a la salida del multiplicador se tendrásu espectro ensanchado actuando como ruido.

( ) ( ) ( )∑−

=

+=1

1

N

ii tststr

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )∑−

=

+=1

1

2N

iii tptptmtptmtx

( ) ( ) ( ) ( ) ( )tptJtptmtx += 2

DSDS--CDMACDMA


Capacidad del CDMACapacidad del CDMA

Supongamos un sistema con N usuarios. Supongamos que las N portadorasrecibidas tienen la misma potencia C.

La portadora deseada tiene un flujo binario de información de Rb por lo quela energía por bit de información es Eb=C/Rb.

Despreciando el ruido térmico y considerando la potencia del resto de las portadoras como potencia de ruido, la densidad espectral de ruido seráNo=(N-1)C/B, siendo B el ancho de banda equivalente de ruido del receptor.

Para obtener una determinada tasa de error el valor de Eb/No requerido determina el número máximo de usuarios del sistema.

La capacidad máxima de la red es NmaxRb. La capacidad de una portadoramodulada sin espectro ensanchado hubiera sido Rc. El throughput es:

( ) ( )Γ−=−= 110 NRRNRBNE bcbb

( ) ( )01 NERRN bcbmax +=

cbmax RRN=η

Por tanto, llamando Γ=Rc/B:


Determinar el número máximo de usuarios y la eficiencia (throughput) de un sistema CDMA si se utiliza un transpondedor de 36 MHz, modulación BPSK, canales telefónicos de 64 Kbps y se desea un tasa de error de 10-4.

Para una tasa de error de 10-4 la Eb/No requerida es: dB.NE b 380 ≈

Por tanto:

( ) ( ) 84283110106410361 103836 =+=⋅⋅+= .N .

La capacidad máxima en BPSK es de 36x106/64x103 = 562.

Por tanto, la eficiencia resulta: 84/562 = 15 %

Solución:

EjemploEjemplo


Γ×=×=

1NC

RB

NC

NE

o

b

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

o

bBPSK N

EerfcBER21

0.1

0.000001

PB( )EbNo

120 EbNo

BER BPSKBER BPSK--QPSK (DQPSK (D--C)C)


Secuencias PNSecuencias PN

Los códigos usados en sistemas CDMA son secuencias seudoaleatorias (PN).Las más conocidas son las secuencias PN lineales de máxima longitudgeneradas por registros de desplazamiento, o secuencias m. Se generan conregistros de desplazamiento de m etapas. La secuencia m de componentes {mj} tiene un periodo 2m-1 y tienen un polinomio generador h(x) = xm + hm-1 xm-1 + ... + h1x + 1.

mjjjj mmhmhm −−− ⊕⊕⊕= L2211

utilizando el circuito de la figura.

1 2 m

h1

+

h2

+

{mj}

Los valores de m se obtienen como:


EjemploEjemplo

1 2 3

+[1] [2] [3] mj

[2]+[3] [1] [2] [3]1 0 00 1 0 01 0 1 01 1 0 11 1 1 00 1 1 10 0 1 11 0 0 10 1 0 01 0 1 01 1 0 11 1 1 00 1 1 10 0 1 11 0 0 1

La tabla muestra dos periodosde la secuencia generada a partir de un estado inicial 1 0 0.

La longitud de la secuencia es 23-1 =7

El número de “1” es 23-1 =4 y el de “0” es 23-1 - 1 = 3.


AutocorrelaciAutocorrelacióónn

Las secuencias PN tienen una función de autocorrelación:

( )R j jjm

m

=− =

− ≠

⎧⎨⎩

2 1 01 0

La figura representa la función de autocorrelación normalizada:

Rm(j)

j

N=2m-1

1

1/N

Tc NTc


Secuencias Secuencias GoldGoldLas secuencias m pueden ser fácilmente copiadas por un sistema interferente que pueda observar 2m chips (2 periodos de la secuencia) utilizando el denominado algoritmo de Berlekamp.

Para mejorar la capacidad frente a intrusismo lo que se hace es combinar enuna red lógica no lineal las salidas de varias. De esta forma se hace imposibledeterminar el generador de la secuencia a partir de la observación de ésta.

Los generadores Gold, Kasami y Bent proporcionan secuencias de periodo 2m-1 apropiadas para DS-CDMA. La figura muestra un generador Gold de 511 chips. Cambiando la posición de la realimentación de la primera secuencia se obtienen 511 códigos diferentes.

1 2 3 4 5 6 7 8 9

1 2 3 4 5 6 7 8 9

+

+ + + + + +


AdquisiciAdquisicióón y Sincronizacin y SincronizacióónnPara demodular una señal DS-SS el receptor debe correlar la señal recibida con una copia generada de la secuencia PN en sincronismo con la del transmisor.El proceso inicial de búsqueda de la fase correcta de la secuencia se denomina adquisición. Una técnica usada habitualmente es la de búsqueda por saltos en serie.

XX BPFBPF Detector deenvolvente

Detector deenvolvente 0

TD

∫

Detectorde umbralDetector

de umbralGenerador

PNGenerador

PN

VTNo

Sí Comienzo desincronización

El generador proporciona la secuencia p(t+∆) por lo que la salida del integrador, cuando TD es múltiplo del periodo de secuencia, es proporcional a la autocorrelación R(∆) de p(t). Si las secuencias están alineadas se excede elumbral VT. Si no se alcanza el umbral se procede a un nuevo desplazamientode la secuencia.


Mantenimiento del SincronismoMantenimiento del Sincronismo

Una vez realizada la adquisición, el receptor debe ser capaz de mantener elalineamiento de fase entre las secuencias dentro de una fracción de chip.El proceso de seguimiento de fase se denomina sincronización y se realizanormalmente con un lazo de enganche de retardo como el de la figura.


Detector deenvolvente

GeneradorPN

GeneradorPN

Filtro delazo

Filtro delazo



++

p(t-∆-Tc/2)

p(t-∆+Tc/2)

+

-

e(∆)

Se generan dos réplicas de la secuencia, adelantada y retardada Tc/2, que semultiplican por la señal recibida, se filtran y se pasan por detectores de envol-vente. A la salida de estos son dos correlaciones que se restan para dar unaseñal de error que gobierna al reloj del generador de secuencia.

e(∆)

∆


DiversidadDiversidad en Sistemas CDMAen Sistemas CDMA

• Se implementa la diversidad espacial tradicional usando dos antenas receptoras en la estación base.

• Durante el proceso de handoff utiliza también diversidad espacial. El proceso se denomina de handoff blando y consiste en que durante el mismo dos estaciones base mantienen el enlace con el móvil. Las estaciones base envían los datos y un índice de calidad al centro de conmutación de móviles donde se decide cual de los dos enlaces es mejor.

• La diversidad de frecuencia se realiza dentro del ancho de banda de la señal. El fading multitrayecto puede interpretarse como un filtrado de banda eliminada en el dominio espectral. El ancho del filtro típicamente es menor de 300 kHz por lo que solo afecta al 15 % del ancho de banda de la señal y sólo se pierde una parte pequeña de la misma.

• El receptor tiene varios correladores que se pueden asignar a las diferentes copias de la señal retardadas en el tiempo que causa el multitrayecto. Este tipo de receptor se denomina RAKE (rastrillo) porque sus diversas ramas se combinan de forma que se obtiene ventaja de la diversidad temporal de la señal recibida.


Una vez realizada la adquisición, el receptor debe ser capaz de mantener elalineamiento de fase entre las secuencias dentro de una fracción de chip.El proceso de seguimiento de fase se denomina sincronización y se realizanormalmente con un lazo de enganche de retardo como el de la figura.



GeneradorPN

GeneradorPN

Filtro delazo

Filtro delazo



++

p(t-∆-Tc/2)

p(t-∆+Tc/2)

+

-

e(∆)

Se generan dos réplicas de la secuencia, adelantada y retardada Tc/2, que semultiplican por la señal recibida, se filtran y se pasan por detectores de envol-vente. A la salida de estos son dos correlaciones que se restan para dar unaseñal de error que gobierna al reloj del generador de secuencia.

e(∆)

∆

Receptor RAKEReceptor RAKE


Receptor RAKEReceptor RAKE

Símbolo transmitido

Señal recibida τ1

Señal recibida τ2 Señal recibida τ3

Señal Estimada a la salida del RAKE


Modelo de Sistema para MUDModelo de Sistema para MUD

X

+X

X

X

X

X

Código 1

Código 2

Código n

Usuario 1, b1

Usuario 2, b2

Usuario n, bn

+

I&D

Código 1

Correlador

Código 2

Código n

I&D

I&D

Det

ecci

ón M

ultiu

suar

io /

Can

cela

ción

Inte

rfer

enci

as

Ruido n(t)

1b̂

2b̂

3b̂


ClasificaciClasificacióón de n de MUDsMUDs

ReceptoresMultiusuario

OptimoMLSE Subóptimos

Redes neuronales.Trellis parcial

Lineales

MAI Decorrelador MMSE

CanceladoresInterferencia

PIC SIC DecissionFeedback


Control de PotenciaControl de Potencia

3

4….N-1

N

1

2

a)

C/I=1/(N-1)

….N´-1

N´

1

b)

C/I=1/(N´-1)

N´=N-3


Control de PotenciaControl de Potencia

Potencia Transmitida

Respuesta del canal

dB

segundosdB

segundos

Potencia Recibida


Factor de actividad de vozFactor de actividad de voz

( ) ( ) ( ) bbb

b RENTENCNI 111 −=−=−= ααα

Para mejorar la eficiencia, y a la vista de la limitación impuesta por la degradación de la capacidad debida a la interferencia mutua entre los usuarios, suele implementarse detección de actividad de voz:

• bien se reduce considerablemente la tasa binaria generada por elvocoder

• bien deja de transmitirse portadora en los periodos de silencio.

En cualquier caso se reduce la interferencia producida por los usuarios de voz en un factor de actividad α cuyo valor medio puede considerarse como de 0.5.

Si se supone un control perfecto de potencia, la potencia interferente será:

La densidad espectral de potencia interferente y ruido térmico será:

( ) ( )p

b

T

bb

GENN

BRENNIN 11

0000−

+=−

+=+αα


Factor de correlaciFactor de correlacióón cruzadan cruzada

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

⎧

−

=

Gold sincrono Cuasi1

1sortogonale códigos sincronoCDMA 0

PNconasincronoCDMA2

N

Gp

µ

( )20000 2

1

p

bt G

ENNINI −+=+=

αµ

Para tener en cuenta la reducción de interferencias en los sistemas cuasisíncronos (y su cancelación en los síncronos) se utiliza el factor de correlación cruzada promedio:

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

−− 1

0

1

0

221

NE

IEG

N b

t

bp

µα

La densidad espectral de potencia interferente y ruido térmico será:

El número de usuarios N que pueden multiplexarse en función de la relación Eb/Iot requerida para una determinada tasa de error y de la Eb/No disponible será:


Capacidad poloCapacidad polo

0 5 10 15 200

20

40

60

80

Eb/No (dB)

N

Sin FEC

Con FEC, GC=5 dB


FHFH--CDMACDMA

X X

Transp.Transp.

Generadorde Código

Generadorde Código

Sincroniz.de Código

Sincroniz.de Código

LPFLPFm(t) cos(ωct) cos(ωct)

s(t) r(t)Rb=1/Tb

Generadorde Código

Generadorde Código

SintetizadorFrecuenciasSintetizadorFrecuencias

p(t)

fc=f1,f2,...,fn

SintetizadorFrecuenciasSintetizadorFrecuencias

La frecuencia de portadora se genera con sintetizador de frecuencias controlado por el generador de código.

Código = Secuencia de saltos de frecuencias


FHFH--CDMACDMA

Frecuencia

tiempo

f1 f2 f3 fn Frec.

TH


Ejemplo CDMA/Ejemplo CDMA/SatelliteSatelliteQualcomm GSP1600


Acceso SDMAAcceso SDMA

• El esquema SDMA parte de la idea de que los usuarios a los que se da servicio ocupan una zona espacial diferente, de manera que el desde el satélite se puede discriminar a los usuarios por las diferentes posiciones espaciales.

• El satélite debe ser capaz de establecer un conjunto de canales ortogonales en transmisión y recepción en base a la separación de los usuarios.

• SDMA tiene aplicación en servicios de comunicaciones móviles MSS ofrecidos en sistemas de satélites LEO y MEO.

Zonas que reutilizan los canales

Se requieren redes multihaz y anchos de haz estrechos


• Una antena de haces conmutados dispone de un conjunto de haces fijo para dar cobertura a una determinada región. El satélite selecciona para cada usuario aquel haz por el que recibe mayor calida de señal de acuerdo con algún otro criterio de optimización:– Maximización de la potencia recibida – Maximización de la relación entre la potencia de señal deseada

sobre la potencia de ruido e interferencias• Cuando el usuario cambia su posición, como sucede en los sistemas

móviles MSS, el satélite va conmutando el haz por el que establece la comunicación con el usuario, de manera que siempre se garantiza la calidad óptima de la comunicación durante todo el tiempo de la llamada. Para ello, el satélite dispone de una matriz de conmutación, que puede implementarse en RF o en tecnología digital.

• Las antenas de haces conmutados ofrecen unas prestaciones limitadas en escenarios con una gran densidad de interferencias, porque debido a que los haces son fijos, no se pueden cancelar adaptativamente las contribuciones no deseadas que aparecen en el sistema. A cambio, la complejidad de su implementación es más reducida que en sistemas adaptativos.

Acceso SDMA: Haces conmutadosAcceso SDMA: Haces conmutados


• A diferencia de los haces conmutados, que tienen unos haces de radiación fijos, las antenas adaptativas van actualizando sus diagramas continuamente, adaptándolos a las condiciones radioeléctricas del entorno y a la posición de los usuarios deseados e interferentes.

• Así, en sistemas móviles MSS, el haz va siguiendo a los usuarios móviles conforme éste se va desplazando.

Acceso SDMA: Antenas Acceso SDMA: Antenas adaptativasadaptativas

Órbita del satélite

Usuario 1 Usuario 2

TIERRA


• Los algoritmos de conformación de haz aplicados son complejos y se implementan generalmente en banda base mediante procesadores digitales de señal (DSPs).

• Los criterios de optimización son más amplios que con haces conmutados, puesto que se dispone de un mayor número de grados de libertad. Dependiendo del número de elementos del array, la resolución angular del sistema y el número de canales ortogonales que pueden establecerse cambian.

• Las señales de referencia utilizadas van desde secuencias de entrenamiento o señales piloto asociadas a la comunicación de cada usuario empleando algoritmos adaptativos de tipo LMS o RLS, hasta la posición angular de cada usuario en el sistema que se estima a partir del espectro angular de potencia con algoritmos de tipo MUSIC o ESPRIT.

• La complejidad de la implementación depende del criterio de optimización y algoritmo de conformación seleccionado y del número de antenas del array.

• Asimismo, requiere complejos esquemas de traspaso cuando dos usuarios cruzan su trayectoria.

Acceso SDMA: Antenas Acceso SDMA: Antenas adaptativasadaptativas


Acceso MAcceso Múúltiple Aleatorio ALOHAltiple Aleatorio ALOHA• Cada estación transmite cuando tiene los datos disponibles.• La estación receptora detecta la presencia de errores. Si no hay

errores, transmite una señal de reconocimiento ACK.• Cuando la estación transmisora recibe el ACK, puede seguir

transmitiendo más datos.

TIEMPO

ESPACIO

EstaciónX

Y

Z

X

X

X

Y

Y

Y

ACK X

ACK X

ACK Y

ACK Y


• Supóngase que los datos a transmitir se empaquetan.

• Además de los datos, el paquete debe contener un encabezado de sincronismo (número de orden del paquete dentro de la transmisión), la dirección de la fuente y un campo final que permite la detección de errores.

• El campo de detección de errores se genera con un código cíclico de chequeo de redundancia CRC.

• El transmisor usa un algoritmo de codificación para generar los bits en función de los bits contenidos en el paquete.

• El receptor usa un algoritmo de detección para determinar si ha habido errores en la transmisión.

Estructura del PaqueteEstructura del Paquete


• Si se produce colisión la estación receptora detecta la presencia de errores.

• No envía un ACK.• Después de un tiempo de no recibir ACK las estaciones

retransmiten, pero dando un retardo adicional aleatorio para intentar evitar el seguir colisionando.

ALOHA con ColisiALOHA con Colisióónn

ESPACIO

TIEMPO

EstaciónX

Y

ZNo ACK


• A diferencia del ALOHA puro, en el ALOHA ranurado las estaciones sólo pueden transmitir dentro de unos intervalos de tiempo. Aunquetengan los datos disponibles, las estaciones deben esperar al comienzo del siguiente intervalo para transmitir.

• De esta forma, si se produce colisión entre dos paquetes estos se superponen totalmente.

ALOHA ALOHA RanuradoRanurado

ALOHA PuroLa ventana de colisión puede serde hasta dos longitudes de mensaje.

TIEMPO

ALOHA RanuradoLa ventana de colisión esde sólo un mensaje.

TIEMPO


Supongamos que el proceso de generación de nuevos paquetes es Poissoniano con una tasa media de λ paquetes por segundo.

Suponemos también que el proceso combinado de generación de nuevos paquetes y retransmisiones sigue también una distribución de Poisson, con una tasa media de λr paquetes por segundo.

Suponemos que todos los paquetes tienen la misma duración T.

Sea Ps la probabilidad de que un paquete no sufra colisiones o errores en sutransmisión. Si ignoramos la probabilidad de error en el canal, la probabilidad de éxito en la transmisión de un paquete, que se realiza en el instante t, será la probabilidad de que no se generen o retransmitan otros paquetes en el intervalo (t-T, t+T), es decir:

P esTr= −2λ

GeneraciGeneracióón de Paquetesn de Paquetes


I es el tráfico ofrecido a la red.S es el tráfico de salida de la red.G es el tráfico interno de la red.

DefiniciDefinicióón de I, G y Sn de I, G y S

SalidaEmisorGenerador CanalI G S

λ λr

λrPsλr(1-Ps)

Reintentos


En equilibrio, la tasa media de llegada de nuevos paquetes debe ser igual a la tasa media de paquetes transmitidos con éxito por el sistema:

λ λ λ= −r

Te r2

El tráfico que entrega el sistema S, en equilibrio, es λT paquetes y es el throughput del sistema. El tráfico interno de la red G, o carga que soporta, para poder entregar S es λrT. Por tanto. la ecuación de equilibrio anterior puede reescribirse como:

S Ge G= −2

Puede verse que el máximo valor de S es 1/(2e) = 0.18 (18%) para una cargade 1/2 = 0.5.

ThroughputThroughput del ALOHA Purodel ALOHA Puro


Para el Aloha ranurado la probabilidad de transmisión con éxito será lade que no se genere un nuevo paquete ni se produzca retransmisión enel intervalo (t+T). Por tanto:

P esTr= − λ

λ λ λ= −r

Te r

S Ge G= −

Puede verse que el máximo valor de S es 1/e = 0.36 (36%) que se corresponde con una carga de 1.

ThroughputThroughput del ALOHA del ALOHA RanuradoRanurado


ThroughputThroughput del Acceso ALOHAdel Acceso ALOHA

Throughput vs. Channel Traffic

G

S

0

0 .0 5

0 .1

0 .1 5

0 .2

0 .2 5

0 .3

0 .3 5

0 .4

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9 1

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8

1.9 2

A -P

A -R

36%

18 %


• Se realiza usando canales de petición de asignación y de respuesta.• CANAL DE PETICIÓN DE ASIGNACIÓN:

– Las estaciones piden cambio de capacidad asignada (bien en un canal TDMA si son relativamente pocas o bien en un canal ALOHA si son muchas)

• CANAL DE RESPUESTA:– La estación de referencia transmite en cada nueva ráfaga de referencia el

nuevo plan de tiempos.

• CARACTERÍSTICAS TÍPICAS (TELECOM 1):– La estación de referencia puede establecer hasta 10 nuevas llamadas cada

segundo.– Un enlace punto a punto de 64 Kbps se establece en menos de 6 segundos

en más del 95% de las llamadas.

• Mayor tasa de tráfico cursado de pico, a cambio de mayor complejidad y retardo.

AsignaciAsignacióón Bajo Demanda DAMAn Bajo Demanda DAMA


DAMADAMA

Fuente: Space Communicatjons Corporation

SUPERBIRD-D (110° E)


Modelos de TrModelos de Trááfico vs. Esquemas de Acceso Mfico vs. Esquemas de Acceso Múúltipleltiple

Protocolo de reserva junto a esquema TDMA fijo

Tráfico a ráfagas, mensajes largos, número de usuarios reducido

Protocolo con reserva y contención

Tráfico a ráfagas, mensajes largos, gran número de usuarios

Acceso aleatorio (Aloha)Tráfico a ráfagas, mensajes cortos

Asignación fija (FDMA, TDMA, CDMA)Tráfico sin ráfagas

Esquema de acceso múltiple más apropiadoModelo de tráfico

• Otros condicionantes: coste y tamaño de los equipos, limitaciones de PIRE, ancho de banda disponible, niveles de interferencia, etc.


Medidas de TrMedidas de Trááficofico

Llamada es el uso de un canal para enlazar dos puntos que están intercambiando información.

Una llamada puede ser tanto una llamada telefónica como un enlace entreordenadores o una transmisión televisiva, etc.

La cantidad de tráfico soportada por un enlace durante un intervalo de tiempo T es la suma de las duraciones de las llamadas que el enlace ha transportado durante el tiempo T. Otro nombre para la cantidad de tráfico es el tiempo de conexión. Se mide en llamadas-segundo.

La intensidad de tráfico, también denominada flujo de tráfico o carga de tráfico, es la cantidad de tráfico por segundo del enlace. La intensidad de tráfico se mide en Erlangs que son llamadas-segundo/segundo. La intensidad máxima de tráfico de un canal es de 1 Erlang.


Sea un sistema de comunicaciones con una capacidad de n canales.Supóngase que una llamada puede usar uno cualquiera de los n canalessiempre que no estén todos ocupados. En el caso de que estén todos ocupados, la llamada se bloquea. La probabilidad de que la llamada se bloquee fue obtenida por Erlang bajo las siguientes hipótesis:1) El proceso de nuevas llamadas sigue una ley de probabilidades de Poisson.Si λ es el número medio de llamadas por unidad de tiempo, la probabilidad deque lleguen k nuevas llamadas en el intervalo t es:

2) El proceso de desconexión o terminación de llamadas sigue una ley exponencial. Si µ es el número medio de desconexiones por unidad de tiempo, la función de distribución del tiempo de duración de una llamada es 1 - exp(-µt).3) Las llamadas que encuentran los n canales ocupados abandonan el sistema.

La intensidad de tráfico es: a=λ/µ . La probabilidad de que haya n llamadas en el sistema, o de que una nueva llamada se bloquee, es:

( ) ( ) ( )p tt

ktk

k

= −λ

λ!

exp

( )p B n a a n

a kn

n

k

k

n= =

=∑

, !

!0

FFóórmula de rmula de ErlangErlang BB


ErlangErlang--BB

0 2 4 6 8 10 1210

-3

10-2

10-1

100

a (Erlangs)

B(n

,a)

n=1n=2

n=3 n=4 n=5 n=6 n=7n=8 n=9 n=10

n=12n=11

n=13n=14n=15n=16n=17

n=18

n=19

n=20

n=21

n=22

0 2 4 6 8 10 1210

-3

10-2

10-1

100

a (Erlangs)

B(n

,a)

n=1n=2

n=3 n=4 n=5 n=6 n=7n=8 n=9 n=10

n=12n=11

n=13n=14n=15n=16n=17

n=18

n=19

n=20

n=21

n=22


ErlangErlang--BB

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 6010

-3

10-2

10-1

100

a (Erlangs)

B(n

,a)

n=5n=10 n=15 n=20

n=75

n=80

n=70

n=65

n=60

n=55n=50

n=45n=40n=35n=30n=25

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 6010

-3

10-2

10-1

100

a (Erlangs)

B(n

,a)

n=5n=10 n=15 n=20

n=75

n=80

n=70

n=65

n=60

n=55n=50

n=45n=40n=35n=30n=25


Se transmite una intensidad de tráfico de 1 erlang a un grupo de tres canales. El tiempo medio de duración de una llamada es de 2 minutos. ¿Cuál es el número medio de llamadas por hora?

a 1

µ1.2 60 =µ 0.008 desconexiones por segundo

λa1µ

=..λ 60 60 30 llamadas por hora

¿Cuál es la probabilidad de que no llegue ninguna llamada durante 2 minutos?

p( ),k t .( ).λ t k

!kexp( ).λ t

=.p( ),0 .2 60 100 36.788 %

EjemploEjemplo


¿Cuál es la probabilidad de que se bloquee una llamada?n 3

k ..,0 1 n

B( ),n a

an

!n

k

ak

!k

=.B( ),3 1 100 6.25 %

Se cursa una intensidad de tráfico de 15 erlangs por 25 canales. ¿Cuál es la probabilidad de bloqueo?

a 15

n 25

k ..,0 1 n

B( ),n a

an

!n

k

ak

!k

=.B( ),25 15 100 0.501 %

EjemploEjemplo


EjemploEjemplo

Se desea que aún en el caso de una sobrecarga de tráfico de un 20% la probabilidad de bloqueo no supere el 1%. ¿Cuál es el número mínimo de canales requerido? NOTA: para encontrar la solución ir variando n a mano hasta encontrar la solución.

n 28

a .15 1.2

k ..,0 1 n

B( ),n a

an

!n

k

ak

!k

=B( ),26 a 0.017=B( ),27 a 0.011=B( ),28 a 0.007 Por tanto n=28


Redes de satRedes de satéélites lites multihazmultihaz

• Objetivo: dar cobertura a la zona de servicio empleando varios haces de radiación

• Se requiere una agrupación de antenas en el satélite (array, reflectarray, reflector multialimentado, etc.)

Haces separados

Haces contiguos

Fuente: Maral


Haces globales (un único haz):• Si da cobertura a una zona de servicio

→ Elevado ancho de haz → Diagrama de poca ganancia

• Si se trata de un haz estrecho → Se aumenta la ganancia, pero no pueden conectarse regiones muy alejadas

Multihaz:• Reúne los dos aspectos anteriores,

puesto que con un conjunto de haces estrechos se da cobertura a una región de gran extensión con haces de ganancia alta

Haz global vs. Haz global vs. MultihazMultihaz

Fuente: Maral



0 5 10 15 2015

20

25

30

35

40

4544.614

19.753

dB G BW( )( )

17.51 BWdeg

.0 5 10 15 20

0

20

40

60

8069.901

3.994

Dλ G BW( )( )

17.51 BWdeg

0 5 10 15 2025

20

15

10

5

00

24.861−

dB Mejora BW( )( )

17.51 BWdeg

.0 5 10 15 20

0

0.2

0.4

0.6

0.8

11

0.057

Mejora BW( )

17.51 BWdeg

.

G=f(BW-3dB) D/λ=f(BW-3dB)

Gglobal/Gmultihazmultihaz

globalTierra G

GD ∝

•Ventajas:–Haces estrechos → Alta ganancia, aumenta la PIRE → Mejora en el balance de enlace


•Ventajas:–Mayor factor de reutilización de frecuencias

Cobertura de Europa mediante con un satélite multihazDestaca el patrón de reutilización de canales (frecuencias)

Ejemplo de cobertura Ejemplo de cobertura multihazmultihaz


ReutilizaciReutilizacióón por polarizacin por polarizacióón y espacion y espacio

Pol. X

Pol. Y

fULfDL

f

f

fDL

f

f

fULfUL

fDL

fB B

fDL fUL


Fuente: Maral


• Desventajas:– Complejidad y peso en el

satélite– Interferencia de haces

adyacentes: • CCI: la ganancia de

los haces fuera de su cobertura no es nula (lóbulos secundarios)

• ACI: imperfecciones en los IMUX

– Interconexión entre las comunicaciones de los distintos haces

fU2

fU1fU1

Haz 1 Haz 2 Haz 3

CCICCI

B2 B1 B1

fU2 fU1 fU1ACI

BPF (fU2) BPF (fU1) BPF (fU1)

frecuencia

Densidad espectral

de potencia B


• Es necesario interconectar los haces para reencaminar las señales recibidas adecuadamente

• En caso de satélites transparentes, existen tres técnicas:– Salto de transpondedor– Conmutación a bordo (SS/TDMA)– Barrido u orientación de haces

Esquemas de conmutaciEsquemas de conmutacióón de hacesn de haces


• Divide la banda entre el número de haces

• En el satélite, se cambia de transpondedor para enrutar la señal por el haz deseado

• Requiere N×N transpondedores– Mayor peso

• Debe ser ágil para cambiar las bandas de frecuencias, polarizaciones

• Debe adaptarse a la demanda de tráfico

Salto de Salto de transpondedortranspondedor

Fuente: Maral


• Hay una matriz de conmutación (N×N), que cambia sus nodos en función del tiempo

• Unidad de control (DCU)

• Las ETs requieren buffers de memoria para almacenar la información hasta que puede enviarla (TDMA)

• Reconfigurabilidad• Sincronización• Formato de trama

ConmutaciConmutacióón a bordo (SS/TDMA)n a bordo (SS/TDMA)

Fuente: Maral


Hacia 1

Hacia 2

Hacia 3

Hacia 3

Hacia 1

Hacia 2

Hacia 2

Hacia3

Hacia 1

Hacia 1

Hacia 3

SYNC

Haz 1

Haz 2

Haz 3

Relleno

CAMPO DE TRÁFICODesdeTráfico recibido por el haz 1 de todas las ETs

Tráfico transmitido por el haz 1 a todas las ETs

A hacia 3 B hacia 2 C hacia 2

A hacia XPreamb. A hacia Y A hacia Z

Ventana

Hacia 1

Hacia 2

Hacia 3

Hacia 3

Hacia 1

Hacia 2

Hacia 2

Hacia3

Hacia 1

Hacia 1

Hacia 3

SYNC

Haz 1

Haz 2

Haz 3

Relleno

CAMPO DE TRÁFICODesdeTráfico recibido por el haz 1 de todas las ETs

Tráfico transmitido por el haz 1 a todas las ETs





Ventana

ConmutaciConmutacióón a bordo (SS/TDMA)n a bordo (SS/TDMA)

Fuente: Maral


Transpondedor

Red de conformación de haz (BFN)


Transpondedor



Haz de exploración

• Se barren las zonas cíclicamente

• Cada estación transmite cuando está “iluminada”

• El tiempo de iluminación depende del tráfico cursado

• Red de conformación de haz en el satélite

Barrido de hazBarrido de haz


• Caso particular de satélite multihaz, donde uno de los haces apunta hacia otro satélite

• Pueden ser GEO-LEO, GEO-GEO ó LEO-LEO

1) GEO-LEO o interorbitales: sirven para complementar la visibilidad de los satélites de una constelación LEO (para mantener visibilidad continua en LEO hace falta una constelación con un gran número de satélites, por lo que a veces se opta por complementar la red LEO con satélites GEO que mejoran la visibilidad).

Enlaces entre satEnlaces entre satéélites (ISL)lites (ISL)


• Comunicación de satélite GEO (Artemis) con satélites LEO (SPOT-4) de observación terrestre

Terminal SILEX (enlace óptico)

25 GHz

30 GHz 2.1 GHz

2.2 GHz

20 GHz26 GHz

23 GHz

Enlace óptico

8 GHz

Ejemplo de ISL GEOEjemplo de ISL GEO--LEOLEO

Fuente: ESA


• Provisión de capacidad similar a fibra óptica empleando satélites en EHF (Extremely High Frequency, 36.1-51.4 GHz)

Ejemplo de ISL GSOEjemplo de ISL GSO--MEOMEO

(15, h=10355 km)


2) GEO-GEO– Aumentar la cobertura

Enlaces entre satEnlaces entre satéélites GEOlites GEO--GEOGEO

Fuente: Maral


2) GEO-GEO– Aumentar la capacidad

Enlaces entre satEnlaces entre satéélites GEOlites GEO--GEOGEO

Fuente: Maral


2) GEO-GEO– Mejorar las condiciones del enlace (p.e., aumentar la

elevación)

3) LEO-LEO: aumentar tiempo de visibilidad, cobertura, etc.

Enlaces entre satEnlaces entre satéélites GEOlites GEO--GEOGEO y LEOy LEO--LEOLEO

Fuente: Maral


• Pueden usarse RF (bandas Ka y milimétricas) o enlaces ópticos (láser), porque...– Aportan más capacidad (<10 Gbit/s)– Son más ligeros y consumen menos potencia– ... pero requieren buenos sistemas de apuntamiento

(BWSILEX~0.5mdeg, frente a BWRF~0.25deg)

Terminal óptico SILEX (ESA)

Enlaces entre satEnlaces entre satéélites (ISL)lites (ISL)


Antenas para ISLAntenas para ISL

Fuente: EMS Technologies


ConstelaciConstelacióón n CelestriCelestri ((MotorolaMotorola))Constelación Celestri de Motorola:• Constelación Walker delta• 63 satélites activos en 7 planos orbitales con 9 satélites cada uno• Altura orbita: 1400 km• Periodo orbital: 113.75 min

Líneas azules: ISLs intra-orbitalesLíneas rojas: ISLs inter-orbitales


• Si el repetidor del satélite es de tipo regenerativo, la información digital (bits) se recupera y procesa en el satélite antes de ser transmitida hacia Tierra. Con este tipo de repetidores, los enlaces son más robustos frente a las interferencias, proporcionando la misma tasa de error con menor Eb/No

• El precio que se paga por esta mejora de prestaciones es una mayor complejidad, dada por la implementación de circuitos y hardware muy rápidos, que consumen mucha potencia.

SatSatéélites regenerativoslites regenerativos


Arquitectura de procesado a bordoArquitectura de procesado a bordo


1) Introducir codificación de canal en transmisión: sobre los bits recuperados, podemos aplicar un nuevo esquema de codificación de canal antes de la transmisión. De esta forma, el enlace descendente requiere menos potencia gracia a la ganancia de codificación, pero el ancho de banda ocupado es mayor al aumentar la tasa binaria de manera inversa a la tasa de codificación. Si el sistema está limitado en banda, debe reducirse la tasa binaria de información para mantener la tasa binaria de transmisión después de la codificación, proporcionando un margen en el valor de (C/No)D requerido.

2) Realizar la conmutación en banda base es más sencilla que en RF o FI, y no es necesario hacerla de manera inmediata, ya que puede almacenarse la señal digital. De esta forma, la eficiencia de la trama aumenta y se flexibilizan los intervalos de envío de tramas.

SatSatéélites regenerativos. Aplicacioneslites regenerativos. Aplicaciones


3) Interconectar redes de diferente capacidad, sin necesidad de doble salto. Una vez recuperados los bits, puede asignarse a otra portadora de diferente capacidad. Para evitar un consumo de potencia excesivo, las portadoras que soportan un gran tráfico no se demodulan salvo que parte del tráfico se dirija a estaciones de baja capacidad.

4) Conformar el haz de la antena en tiempo real para proporcionar interconexión por orientación de haces. Gracias a la posibilidad de almacenar la información digital, ésta puede enviarse cuando el haz correspondiente esté activo, o bien, para la señal de cada enlace, puede realizarse una conformación de haz independiente.

SatSatéélites regenerativos. Aplicacioneslites regenerativos. Aplicaciones


AlcatelAlcatel 9343 DVB 9343 DVB OnOn--BoardBoard ProcessorProcessor


AlcatelAlcatel 9343 DVB 9343 DVB OnOn--BoardBoard ProcessorProcessor

• Arquitectura multihaz:

redes de comunicaciones por satélite acceso múltiple · satélite es permitir que un gran número...

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